Акустоэлектрические преобразователи. Принципы работы. Особенности конструкции и использования

Российский  государственный  социальный университет

Факультет Информационных технологий

Кафедра Защиты Информации 

Дисциплина: «Инженерно-техническая  защита информации» 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

Тема:  

«Акустоэлектрические преобразователи. Принципы работы. Особенности конструкции и использования» 
 
 
 
 
 

Выполнил:                                                                               Проверил:

  студент группы КЗИ-Д-4                                                        преподаватель

Д.С. Новикова                                                                        М.Н. Мальцев 
 
 
 

Москва, 2011г.

 

Содержание

 

Введение

 

      Человеческая  речь является естественным и наиболее распространенным способом обмена информацией  между людьми, и попытки перехвата (подслушивание) этой информации ведутся с древнейших времен до настоящего времени. Определенный интерес в получении речевой информации вызван рядом специфических особенностей, присущих такой информации:

      конфиденциальность - устно делаются такие сообщения и отдаются такие распоряжения, которые не могут быть доверены никакому носителю;

      оперативность - информация может быть перехвачена в момент ее озвучивания;

      документальность - перехваченная речевая информация (речь, не прошедшая никакой обработки) является по существу документом с личной подписью того человека, который озвучил сообщение, так как современные методы анализа речи позволяют однозначно идентифицировать его личность;

      виртуальность - по речи человека можно сделать заключение о его эмоциональном состоянии, личном отношении к сообщению и т.п.

      Эти особенности речевых сообщений  вызывают заинтересованность у конкурентов  или злоумышленников в получении  подобной информации. И, учитывая особенности расположения большинства офисов коммерческих предприятий и фирм в жилых домах, разъединенных с неизвестными соседями сбоку, сверху и снизу несущими конструкциями с недостаточной акустической защитой, задача защиты конфиденциальных переговоров становится особо актуальной и достаточно сложной.

      Защита  акустической информации является довольно дорогим и сложным мероприятием, поэтому на практике в учреждениях и фирмах целесообразно иметь специально выделенные места с гарантированной (по заданной категории) защитой акустической информации - так называемые защищаемые (выделенные) помещения.

      Полнота защиты подобных помещений зависит как от их акустической защищенности по воздушной и структурной (вибрационной) акустической волне, так и от защищенности расположенных в помещении устройств и их элементов от утечки за счет акустопреобразовательного эффекта, побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН), а также от организованных каналов утечки информации.

      Поэтому, оценивая возможности такого помещения, целесообразно рассмотреть как  его акустическую защищенность (несущие  конструкции, пол, потолок, вентиляционные короба, двери, окна, трубы отопления и т.п.), так и предусмотреть возможность использования злоумышленником элементов аппаратуры, обладающих акустопреобразовательным эффектом - звонковые цепи телефонных аппаратов, вторичные часы, динамики сетей трансляции, некоторые извещатели систем охранной и пожарной сигнализации и т.п.

 

Акустоэлектрические преобразователи  и их виды

 

      Каналы  утечки информации, возникающие за счет наличия преобразовательных акустоэлектрических  элементов в цепях различных  технических устройств, находящихся в выделенном помещении, опасны тем что они сопутствуют работе этих устройств в их нормальных режимах работы и злоумышленник может воспользоваться ими без проникновения в помещение (или охраняемую зону), без установки специальных подслушивающих устройств.

      Хорошо  известны способы получения информации об акустике помещения за счет подсоединения  к линиям телефонных аппаратов(особенно в случаях, когда в помещении  расположены аппараты с электромеханическими вызывными звонками), линиями диспетчерской или охранной сигнализации и т.п.

      Подобные  каналы утечки информации могут возникнуть на основе так называемых акустоэлектрических  преобразователей.

      Акустоэлектрический преобразователь - это устройство, преобразующее акустическую энергию (т. е энергию упругих волн в воздушной среде) в электромагнитную энергию в схемах тех устройств, в которых находятся акустоэлектрические преобразователи(или наоборот, энергию электромагнитных волн в акустическую). Из окружающих нас устройств наиболее известны такие электроакустические преобразователи как системы звукового вещания, телефоны, из акустоэлектрических - микрофоны. Следует учитывать, что в большинстве электроакустических преобразователей имеет место двойное преобразование энергии - электромеханическое, в результате которого электрическая энергия, подводимая к преобразователю переходит в энергию колебаний механической системы (например, диффузор динамика), колебание которой и создает в среде звуковое поле.

      Наиболее  распространенные акустоэлектрические преобразователи линейны, т.е. удовлетворяют требованиям неискаженной передачи сигнала и обратимы, т.е. могут работать и как излучатель и как приемник и подчиняются принципу взаимности. В большинстве случаев при электроакустическом преобразовании преобладает преобразование в механическую энергию либо электрического, либо магнитного полей (и обратно - преобразования акустической энергии в электрическую, либо магнитную). В соответствии с этим обратимые акустоэлектрические преобразователи могут быть представлены следующими группами:

      1. Индуктивные генераторные

      E= n (∆Ф/∆t)

      E – ЭДС сигнала

      n – число витков

      Ф – магнитный поток

      1.1 Электромагнитные 

        

      k - параметр, характеризующий магнитные свойства цепи

      p - акустическое давление

      s - площадь якоря

      a - зазор между сердечником и якорем

      1.2 Магнитострикционные 

      

      G – магнитострикционный модуль

      E=p*G*n

      1.3 Электродинамические 

        

      Ф=f*(V) магнитный поток изменяется за счет перемещения проводников

      Е= B* [L*V], если B┴L┴V, то Е= B*L*V

      B - индукция магнитного поля

      L – длина проводника

      V – скорость перемещения проводника под действием давления р

      2. Емкостные генераторные пьезоэлектрические 

      

      d – пьезомодуль

      c – емкость

      Е=d*(p/c)  

      2.1 Емкостные параметрические конденсаторы

      

      J=U0*(∆C/∆t)

      C=f*(p)  

      а) электродинамических преобразователей, действие которых основано на электродинамическом эффекте. электродинамическими называют индукционные системы, электрический контур которых перемещается в магнитном поле, порожденном внешним по отношению к контуру источником МДС(таким источником может служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы). Величина ЭДС перемещения, наводимая в электродинамических системах при перемещении контура (провода).

      б) электромагнитных преобразователей

      У этих систем, в отличии от электродинамических, электрическая часть является неподвижным контуром. Так же, как у электродинамических систем, внешним источником МДС могут служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы.

      Действие  подобных преобразователей основано на колебании ферромагнитного сердечника в переменном магнитном поле или изменении магнитного потока при движении сердечника.

      в) электростатических, действие которых основано на изменении силы притяжения обкладок конденсатора при изменении напряжения на нем и на изменении положения обкладок конденсатора относительно друг друга под действием, например, акустических волн.

      г) пьезоэлектрические основаны на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте. К пьезоэлектрическим относятся кристаллические вещества и специальные керамики, в которых при сжатии и растяжении в определенных направлениях возникает электрическое напряжение. Это так называемый прямой пьезоэффект, при обратном пьезоэффекте появляются механические деформации под действием электрического поля.

      д) магнитострикционные(механнострикционные) преобразователи использующие прямой и обратный эффект магнитострикции.

      Магнитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании - вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле, и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро - и ферритомагнетиках, в которых взаимодействие частиц особенно велико.

      В магнитострикционном преобразователе используется линейная магнитострикция ферромагнетиков в области технического намагничивания. Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционных материалов с нанесенной на него обмоткой (такие конструкции используются в фильтрах, резонаторах и других устройствах акустоэлектроники). В подобном преобразователе энергия переменного магнитного поля, создаваемого в сердечнике протекающем по обмотке переменным электрическим током, преобразуется в энергию механических колебаний сердечника или наоборот, энергия механических колебаний, наведенная, например, акустическим сигналом, воздействующим на сердечник преобразуется в энергию магнитного поля наводящего переменную ЭДС в обмотке.

      е) к особому классу акустоэлектрических преобразователей относятся необратимые приемники звука, принцип действия которых основан на применении электрического сопротивления чувствительного элемента под действием звукового давления. Например, угольный микрофон или полупроводниковые приемники, в которых используется так называемый тензорезистивный эффект - зависимость сопротивления полупроводниковых приборов от механических напряжений.

      Таким образом, наряду со специально созданными для преобразования акустических сигналов в электрические так называемых приемников звука (например, в воздухе - микрофоны, в воде - гидрофоны, в грунте - геофоны) существуют "паразитные", не предусмотренные идеей прибора акустоэлектрические преобразователи. Проявление акустопреобразовательных каналов утечки информации в большинстве случаев не связано с качеством исполнения механизма прибора, а является сопутствующим его деятельности по предназначению, т.е. их подавление в ряде случаев не может быть проведено путем более качественного исполнения или настройки механизмов. В ряде случаев они возникают за счет взаимности действия элемента, заложенного в его конструкцию (динамики), в других случаях за счет некачественности исполнения элементов (рыхлая намотка индуктивностей, изменение расстояния между обкладками конденсатора под действием механических волн) и т.п.;

      По  своей природе электроакустические  преобразователи часто сравнивают с микрофонным эффектом.

      Микрофонный эффект - появление в цепях радиоэлектронной аппаратуры посторонних (паразитных) электрических сигналов, обусловленных механическими воздействиями (звуком, сотрясениями, вибрациями и т.п.). Свое название микрофонный эффект получил по аналогии с соответствующими процессами, происходящими в микрофоне. Наиболее сильно микрофонный эффект проявляется при работе электронных приборов (в усилителях электрических колебаний звуковых частот, супергетеродинных приемниках и т.п.

      Микрофоны:

      Для перехвата акустической воздушной волны наиболее широко используются микрофоны.

      Микрофон - устройство преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы.

      Микрофоны могут быть классифицированы по различным признакам:

      • по принципу преобразования акустических (звуковых волн) в электрические;

      • по способу воздействия звуковых волн на диафрагму микрофона,

      • по конструкторскому исполнению;

      • по признакам характеристики направленности;

      • по электрическим параметрам и т.п.

      По  признаку преобразования акустических колебаний микрофоны подразделяются на:

      1а) Электродинамические.  

        

      1б) Электромагнитные 

        

      1в) Электростатические 

      

      1г) Угольные 

        

      1д) Пьезоэлектрические 

        

      1е) Полупроводниковые 

        

      По  признаку приема звуковых колебаний  микрофоны подразделяются на три  группы:

      1) приемники звукового давления, действующего на диафрагму;

      2) приемники градиента давления, реагирующего на разность звуковых давлений, действующих на обе стороны диафрагмы;

      3) приемники комбинированного типа, сочетающие свойства приемников звукового давления и градиента давления;

      Схемы приема акустических волн микрофоном-приемником

      2а) Звукового давления 

         

      2б) микрофон-приемник градиента звукового давления  

        

      В микрофонах-приемниках давления, давление звукового поля действует только на одну сторону диафрагмы, другая сторона

      конструктивно защищена от этого воздействия. В микрофонах-приемниках градиента давления разность давлений поля воздействует на обе стороны диафрагмы.

      Микрофонами-приемниками  градиента давления являются ленточные микрофоны(рис.1д). В зазоре между полюсными наконечниками 2, постоянного магнита 4 подвешена лента из алюминиевой фольги I толщиной 3 - 4 мкм. Частота собственных колебаний ленты 15-20 Гц. Такие микрофоны имеют чувствительность 1 - 2 мВ/Па и обеспечивают передачу широкого диапазона частот (Л.68).

      Различие  по воздействию звуковых колебаний на подвижную систему микрофона определяет и разные виды характеристик направленности микрофона. Зависимость чувствительности микрофона на данной частоте от угла между акустической осью и направлением на источник звука изображается обычно графически в полярных координатах.

      По  этому признаку микрофоны подразделяются на пять типов: ненаправленные (с круговой диаграммой)

      3А)  

        

        

      3б) двусторонне направленная ("восьмерка")

      односторонне направленные (кардиоида)

      3в) 

         

      односторонне  остронаправленные (суперкардиоида и гиперкардиоида) - 3г и Зд.

      3г)

       

      3д) 

         

      Направленность  микрофона характеризует отношение  чувствительности микрофона к осевой чувствительности.

      Микрофон  ненаправленного действия обладает постоянной чувствительностью независимо от направления, по которому проходят звуковые волны. Рабочее пространство такого микрофона - сфера. Следует, однако, отметить, что на частотах, где длина волны становится соизмеримой с размерами микрофона начинает сказываться экранирующее действие корпуса микрофона. Поэтому, начиная с частот 1000 - 2000 Гц у микрофона появляется заметная направленность, а на частотах 10-15 кГц она становится весьма значительной.

      Двусторонне направленные микрофоны имеют одинаковую чувствительность с фронтальной  и тыльной сторон диафрагмы, чувствительность их в поперечном направлении равна нулю. Подобная характеристика сохраняется как для нижних, так и для высоких частот.

      Односторонне  направленные микрофоны чувствительны  к звуковым волнам, приходящим со стороны  максимальной направленности микрофона.

      Для получения остронаправленной характеристики микрофона используют различные  конструкции микрофона - с интерференционным элементом или параболическим рефлектором, плоская фазированная решетка или градиентный микрофон.

      Микрофоны также классифицируются по требованиям эксплуатации, стойкости их к климатическим и механическим воздействиям (эксплуатация на открытом воздухе, в закрытых помещениях, под навесом, в помещениях с повышенной влажностью и т.п.).

      Одним из основных параметров микрофона являются осевая чувствительность микрофона, расположенного в свободном поле при распространении синусоидальной звуковой волны в направлении акустической оси микрофона.

      Ее  определяют по формуле:

      E0= U/P,

      где U - напряжение на входе микрофона;

      Р - звуковое давление.

      Чувствительность  микрофона по диффузному полю определяется зависимостью:

      Едиф=U/Pдиф где Рдиф - звуковое давление в точке до размещения в ней микрофона.

      При этом под свободным полем мы понимаем такое поле, в котором преобладает  прямая звуковая волна, а отраженные звуковые волны отсутствуют или настолько малы, что ими можно пренебречь.

      Диффузное поле - это такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии и в котором по всем направлениям распространяются одинаковые потоки звуковой энергии.

      Стандартный уровень чувствительности (дБ) определяется по формуле;

      NCT = 10 lg (U2hoм/Rhoм*P0),

      где: Uhom - напряжение, развиваемое на номинальном сопротивлении нагрузки Rном при звуковом давлении 1Па;

      P0 - мощность электрического сигнала микрофона при давлении 1Па.

      Уровень собственного шума микрофона (дБ) определяется по формуле:

      Nш=20lg(Uш/U1)

      где: Uш - эффективное значение напряжения, обусловленного флюктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами схемы микрофона;

      U1 - напряжение при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным действием 0,1 н/м2.

      Характеристика  направленности микрофона может  быть представлена уравнением улитки Паскаля:

      R0 = (l+С*cos0) *(1+C),

      где: R0 - отношение чувствительности микрофона Е(θ) (под углом 0 к его оси) к осевой чувствительности Е0;

      С - отношение чувствительности приемника к градиенту давления, определяющее форму характеристики направленности.

      В зависимости от действующей на диафрагму  микрофона результирующей силы звукового давления F величина выходного напряжения микрофона определяется величиной:

      а) для угольного микрофона

      U = (K*F*U0*R*n) /(w*Zм *(Ri n2+Rи),

      где:

      m - коэффициент модуляции;

      U0 приложенное к микрофону постоянное напряжение;

      Rн - сопротивление нагрузки микрофона;

      К – отношение коэффициента модуляции  к величине смещения диафрагмы микрофона;

      F - действующая на диафрагму микрофона результирующая сила звукового давления;

      n - коэффициент трансформации;

      Ri - внутреннее сопротивление микрофона;

      Zм - механическое сопротивление акустической системы микрофона.

      б) для электромагнитного микрофона;

      U = ω*Ф0*F*Rн/d*Zм* (Rn+Zi),

      где:

      ω - число витков обмотки;

      Ф0 - магнитный ток, исходящий из полюса магнитной системы;

      d - зазор между полюсом и якорем;

      Zi - внутреннее электрическое сопротивление микрофона.

      в) для электродинамического катушечного микрофона:

      U = B*L*F*Rи/ Zм*(Ri+ Rn) = B*L*υ*Rн/ (Ri+ Rn)

      где:

      В - индукция в зазоре магнитной системы;

      L - длина проводника обмотки подвижной катушки;

      υ - колебательная частота диафрагмы (якоря).

      Результирующая  сила звукового давления микрофона (т.е. сила, действующая на одну сторону диафрагмы) определяется соотношением:

      F = k*p0*S,

      где:

      р0 - звуковое давление, имевшее место в акустическом поле до внесения в него микрофона;

      k - коэффициент дифракции, определяемый как отношение звукового давления р на поверхность диафрагмы к давлению р0;

      S - поверхность диафрагмы, на которую воздействует звуковое давление.

      Электродинамические преобразователи

      При движении проводника длинной l в постоянном магнитном поле индукцией В со скоростью V в нем индуцируется ЭДС сигнала

      E = B* [l*V] ;

      В равномерном магнитном поле

      E = B*l*V;

      В равномерном магнитном поле

      Учитывая, что колебательная скорость V равна действующей на проводник силе, деленной на механическое сопротивление (Zм) т.е.

      V=F/ Zм и что сила определяется произведением давления на площадь

      проводника  получим η=B*l*S/Zм уравнение чувствительности электродинамической системы.

      Таким образом величина ЭДС опасного сигнала на выходе такой системы равна Eис=Pис* B*l*S/Zм

      Механическое  сопротивление одноконтурной механической системы может быть определено из соотношения: Zм=F/V=(r+j) *(ω*m-1/ω*Cм)

      где: F-действующая на проводник сила

      V - колебательная скорость

      r - активное сопротивление (трение) мех Ом

      m - масса провода (кг)

      Cm - гибкость (м/ньютон)

      Принцип электродинамической системы преобразования проявляется при акустическом воздействии  на электродинамические головки  громкоговорителей, электровторичных часов, трансформаторов, дросселей.

      Изменить  параметры, входящие в рассмотренные  выше соотношения с целью уменьшения опасности возникновения акустопреобразовательного  канала часто не представляется возможным, т.к это может повлиять на рабочие параметры устройства (например, для уменьшения коэффициента преобразования трансформатора его можно залить компаундом, а в головке громкоговорителя нельзя).

      Электромагнитные  преобразователи:

      Принцип преобразования состоит в индуцировании  ЭДС сигнала в обмотке при  изменении магнитного потока Eис=Pис*η где: η=V*S*μ0*ω*S’/a2*Zм